1.一种多源异构图像序列融合的闪电临近预测方法,其特征在于,包括以下步骤:S1,获取雷达图像序列、卫星红外云图序列和闪电定位图像序列,对各类数据进行预处理后构建输入张量;
S2,构建由地理一致性划分模块、时空同质化模块、跨模态融合模块和非自回归解码器模块组成的闪电预测模型;
由地理一致性划分模块将输入张量划分为非重叠地理子图,再经时空同质化模块处理得到同构特征;
通过跨模态融合模块对同构特征进行通道‑空间注意力融合,生成融合时空特征;
利用非自回归解码器模块对融合时空特征进行处理,输出高分辨率闪电概率场,实现未来1小时闪电临近预测;
S3,对闪电预测模型进行训练和优化,保存最佳的闪电预测模型用于闪电预测;
其中,得到同构特征的步骤包括:
SA1,对地理子图在所有时间步进行空间特征嵌入,得到每一个地理子图的空间特征集,T表示时间序列长度, 为数据源s在第t个时间步的空间特征;
SA2,对每个地理子图,将空间特征集 作为输入序列,通过轻量化时间注意力模块进行时间特征嵌入,得到时间步的融合特征;
SA3,对时间步的融合特征进行全局平均池化,得到当前地理子图最终的同构特征;
所述非自回归解码器模块对融合时空特征进行处理时,结合PixelShuffle上采样输出高分辨率闪电概率场,实现未来1小时闪电临近预测;实现步骤如下:SB1,定义N个可学习查询向量 ,每个查询向量对应未来一个时间步的潜在空间表示,则预测帧数量为N;
SB2,将融合时空特征 展平为token序列,在时间维度复制多次后输入Transformer解码器,与可学习查询向量进行交叉注意力计算,输出未来各时间步的隐特征表示;通过PixelShuffle上采样层对隐特征表示进行空间分辨率恢复,将隐特征表示映射至与闪电标签一致的栅格尺寸;
SB3,通过1×1的卷积层将上采样后的特征映射至单通道,得到闪电概率预测图。
2.根据权利要求1所述多源异构图像序列融合的闪电临近预测方法,其特征在于,对雷达图像序列进行最大‑最小归一化处理,对卫星红外云图序列进行均值‑标准差归一化处理,对闪电定位图像序列进行指数归一化处理。
3.根据权利要求1所述多源异构图像序列融合的闪电临近预测方法,其特征在于,所述空间特征嵌入的实现步骤如下:S11,对于每一个数据源 ,在每一个地理子图内,对每一个时间步提取对应的原始观测特征向量 ,其中, 、 和 分别为数据源s的地理子图所对应的通道数、高度和宽度,表示实数集;
S12,通过由两层线性层组成的嵌入网络,将所有原始观测特征向量 展平后投影至统一的高维嵌入空间:,
其中, 和 分别为可训练的权重矩阵, 和 分别为对应的偏置向量, 为激活函数, 为嵌入后的特征。
4.根据权利要求1所述多源异构图像序列融合的闪电临近预测方法,其特征在于,通过轻量化时间注意力模块进行时间特征嵌入的实现步骤如下:S21,将输入序列 中每个时间步的嵌入向量与对应的时间位置编码向量相加,得到带时间位置信息的嵌入序列 : ,
其中, 为第t个时间步的位置编码向量,其计算表达式如下: ,
其中,t为时间步索引,i为嵌入维度索引,d为嵌入维度;
S22,将带时间位置信息的嵌入序列 输入多头自注意力机制,将 线性投影为查询、键和值:, , ;
其中, 、 、 分别为权重矩阵,Q、、V分别为查询、键和值;单头注意力的输出为:,
其中, 表示第t个时间步在第j个注意力头下的加权聚合结果, 是比例因子; 表示 的转置;
S23,将单头注意力的输出 沿特征维度拼接,并经线性变换,得到该时间步的融合特征 表示为:,
其中,j=1,2,3,...h;h为注意力头的总数量, 为权重矩阵。
5.根据权利要求1所述多源异构图像序列融合的闪电临近预测方法,其特征在于,得到融合时空特征的实现步骤如下:S201,将所有数据源的地理子图的同构特征在通道维度拼接,得到特征矩阵 ;利用通道注意力子模块对特征矩阵E沿空间维度计算全局平均池化与最大池化,通过共享线性层生成通道注意力权重,公式如下:,
其中, 、 分别为可训练权重,为Sigmoid激活函数, 为通道注意力权重矩阵; 为激活函数, 表示平局池化, 表示最大池化;
S202,将通道注意力权重矩阵 广播至联合特征矩阵的空间维度并逐元素相乘,得到通道增强特征 ;
S203,利用空间注意力子模块对通道增强特征 沿通道维度计算全局平均池化与最大池化,通过卷积层生成空间注意力权重,公式如下:,
其中, 表示卷积操作, 表示通道拼接, 为空间注意力权重矩阵;
S204,将空间注意力权重矩阵 与通道增强特征 逐元素相乘,得到最终融合时空特征,计算公式如下:,
其中, 表示融合时空特征, 表示逐元素相乘。